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Transistores Bipolares
1 - A Revolução
Com o passar dos anos, a indústria dos dispositivos semicondutores foi
crescendo e desenvolvendo componentes e circuitos cada vez mais complexos,
a base de diodos. Em 1948, na Bell Telephone, um grupo de pesquisadores,
liderados por Shockley, apresentou um dispositivo formado por três camadas
de material semicondutor com tipos alternados, ou seja, um dispositivo com
duas junções. O dispositivo recebeu o nome de TRANSÍSTOR.
O impacto do transístor, na electrónica, foi grande, já que a sua
capacidade de amplificar sinais eléctricos permitiu que em pouco tempo este
dispositivo, muito menor e consumindo muito menos energia, substituísse as
válvulas na maioria das aplicações electrónicas. O transístor contribuiu
para todas as invenções relacionadas, como os circuitos integrados,
componentes opto-eletrônicos e microprocessadores. Praticamente todos os
equipamentos electrónicos projectados hoje em dia usam componentes
semicondutores.
As vantagens sobre as difundidas válvulas eram bastantes significativas,
tais como:
Menor tamanho
Muito mais leve
Não precisava de filamento
Mais resistente
Mais eficiente, pois dissipa menos potência
Não necessita de tempo de aquecimento
Menores tensões de alimentação.
Hoje em dia as válvulas ainda sobrevivem em alguns nichos de aplicações e
devido ao romantismo de alguns usuários.
2. O Transístor Bipolar
O principio do transístor é poder controlar a corrente. Ele é montado numa
estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de
cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo
oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada uma
dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do
transístor, As extremidades são chamadas de emissor e colector, e a camada
central é chamada de base. Os aspectos construtivos simplificados e os
símbolos eléctricos dos transístores são mostrados na figura abaixo.
Observe que há duas possibilidade de implementação.
O transístor da esquerda é chamado de NPN e o outro de PNP.
O transístor é hermeticamente fechado em um encapsulamento plástico ou
metálico de acordo com as suas propriedades eléctricas.
2.1 - Características Construtivas
O emissor é fortemente dopado, com grande número de portadores de carga. O
nome emissor vem da propriedade de emitir portadores de carga.
A base tem uma dopagem média e é muito fina, não conseguindo absorver todos
os portadores emitidos pelo emissor
O colector tem uma dopagem leve e é a maior das camadas, sendo o
responsável pela colecta dos portadores vindos do emissor.
Da mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas
junções das camadas P e N.
O comportamento básico dos transístores em circuitos electrónicos é fazer o
controle da passagem de corrente entre o emissor e o colector através da
base. Para isto é necessário polarizar correctamente as junções do
transístor.
3. Funcionamento
Polarizando directamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-
coletor, a corrente de colector IC passa a ser controlada pela corrente de
base IB.
Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de
colector IC e vice-versa.
A corrente de base sendo bem menor que a corrente de colector, uma
pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC, Isto
significa que a variação de corrente de colector é um reflexo
amplificado da variação da corrente na base.
O fato do transístor possibilitar a amplificação de um sinal faz com
que ele seja considerado um dispositivo dativo.
Este efeito amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso
matematicamente pela relação entre a variação de corrente do colector e a
variação da corrente de base , isto é:
3.1 - Tensões e Correntes nos Transístores NPN e PNP
Aplicando as leis de Kirchoff obtemos:
IE = IC + IB
NPN: VCE = VBE + VCB
PNP: VEC = VEB + VBC
4 - Classificação dos Transístores
Os primeiros transístores eram dispositivos simples destinados a operarem
apenas com correntes de baixa intensidade, sendo, portanto, quase todos
iguais nas principais características. Com o passar dos anos, ocorreram
muitos aperfeiçoamentos nos processos de fabricação que levaram os
fabricantes a produzirem transístores capazes de operar não só com pequenas
correntes mas também com correntes elevadas, o mesmo acontecendo com às
tensões e até mesmo com a velocidade.
O estudo das características principais é efectuado por famílias (grupo de
transístores com características semelhantes), que são:
" "Pequenos Sinais "
" "Baixas Frequências "
"Uso "Correntes IC entre 20 e 500mA "
"Geral "Tensão máxima entre 10 e 80 V "
" "Frequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz "
" "Correntes elevadas "
"Potênci"Baixas frequências "
"a "Correntes IC inferior a 15A "
" "Frequência de transição entre 100 kHz e 40 MHz "
" "Uso de radiadores de calor "
" "Pequenos sinais "
"RF "Frequência elevada "
" "Correntes IC inferior a 200mA "
" "Tensão máxima entre 10 e 30V; "
" "Frequência de transição em 1,5 GHz "
5 - Configurações Básicas
Os transístores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base
Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum
significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.
5.1 - Configuração BC
Ganho de tensão elevado
Ganho de corrente menor que 1
Ganho de potência intermediário
Impedância de entrada baixa
Impedância de saída alta
Não ocorre inversão de fase
5.2 - Configuração CC
Ganho de tensão menor que 1
Ganho de corrente elevado;
Ganho de potência intermediário
Impedância de entrada alta
Impedância de saída baixa
Não ocorre a inversão de fase.
5.3 Configuração EC
Ganho de tensão elevado
Ganho de corrente elevado
Ganho de potência elevado
Impedância de entrada baixa
Impedância de saída alta
Ocorre a inversão de fase.
Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por
isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais
técnicos têm como referência a configuração emissor comum.
Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta
curva, para cada valor constante de VCE, variando-se a tensão de entrada
VBE, obtém-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico com o
seguinte aspecto.
Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a
tensão entre a base e o emissor.
Para cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de
saída VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte
aspecto.
Através desta curva, podemos definir três estados do transístor, o CORTE, a
SATURAÇÃO e a DATIVA
CORTE: IC = 0
SATURAÇÃO: VCE = 0
ACTIVA: Região entre o corte e a saturação.
Para a configuração EC a relação entre a corrente de saída e a corrente de
entrada determina o ganho de corrente denominado de b ou hFE (forward
current transfer ratio)
O ganho de corrente b não é constante, valores típicos são de 50 a 900.
Exemplo 1 - Dadas as curvas características de entrada e saída de um
transístor NPN, determine:
a) A corrente na base para VBE=0,8
b) O ganho de corrente b
c) Um novo ganho de corrente b , caso a corrente IB dobre de
valor.
6 - Os Limites dos Transístores
Os transístores, como quaisquer outros dispositivos têm suas limitações
(valores máximos de alguns parâmetros) que devem ser respeitadas, para
evitar que os mesmos se danifiquem. Os manuais técnicos fornecem pelo menos
quatro parâmetros que possuem valores máximos:
Tensão máxima de coletor - VCEMAX
Corrente máxima de coletor - ICMAX
Potência máxima de coletor - PCMAX
Tensão de ruptura das junções
Na configuração EC, PCMAX = VCEMAX.ICMAX
Exemplos de parâmetros de transístores comuns.
"Tipo "Polaridade"VCEMAX"ICMAX"b "
" " "(V) "(mA) " "
"BC 548"NPN "45 "100 "125 a "
" " " " "900 "
"2N2222"NPN "30 "800 "100 a "
" " " " "300 "
"TIP31A"NPN "60 "3000 "20 a 50 "
"2N3055"NPN "80 "15000"20 a 50 "
"BC559 "PNP "-30 "-200 "125 a "
" " " " "900 "
"BFX29 "PNP "-60 "-600 "50 a 125"
7 - Transístor como chave
A utilização do transístor nos seus estados de SATURAÇÃO e CORTE, isto é,
de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o
coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação
como chave.
A figura abaixo mostra um exemplo disso, em que ligar a chave S1 e fazer
circular uma corrente pela base do transístor, ele satura e acende a
lâmpada. a resistência ligada a base é calculado, de forma que, a corrente
multiplicada pelo ganho dê um valor maior do que o necessário o circuito do
coletor, no caso, a lâmpada.
Veja que temos aplicada uma tensão positiva num transístor NPN, para que
ele sature e uma tensão negativa, para o caso de transístores PNP, conforme
mostra a figura abaixo.
8 - Exercício
1. Quais as vantagens dos transístores em relação as válvulas?
2. Quais as relações entre as dopagens e as dimensões no emissor, coletor
e base de um transístor?
3. Para o funcionamento de um transístor, como devem estar polarizadas
suas junções?
4. Quais as relações entre as correntes e tensões num transístor NPN e
PNP?
5. Explique por que o ganho de corrente na configuração BC é menor que 1.
6. Explique por que o ganho de corrente na configuração EC é muito maior
que 1.
7. Explique por que o ganho de tensão na configuração CC é menor que 1.
8. Quais os três estados do transístor e quais são as suas
características.
9 - Polarização de Transístores
9.1 - Ponto de Operação (Quiescente)
Os transístores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e
tensão, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para
outras aplicações, o transístor deve estar polarizado correctamente.
Polarizar um transístor é fixá-lo num ponto de operação em corrente
contínua, dentro de suas curvas características.
Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente)
pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou altiva da curva
característica de saída.
Os pontos QA, QB e QC da figura a seguir caracterizam as três regiões
citadas.
QA: Região activa
QB: Região de saturação
QC: Região de corte
9.2 - Recta de carga
A recta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos de operação
possíveis para uma determinada polarização.
Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos.
9.3 - Circuitos de Polarização EC
Nesta configuração, a junção base-emissor é polarizada directamente e a
junção base-coletor reversamente. Para isso, utilizam-se duas baterias e
duas resistências para limitar as correntes e fixar o ponto de operação.
Análise da malha de entrada: RB.IB + VBE = VBB
então,
Malha de saída: RC.IC+VCE=VCC
9.3.1 - Circuito de polarização com corrente de base constante
Para eliminar a fonte de alimentação da base VBB, pode-se utilizar somente
a fonte VCC.
Para garantir as tensões correctas para o funcionamento do transístor RB
deve ser maior que RC.
Equações: e
Neste circuito, como VCC e RB são valores constantes e VBE praticamente não
varia, a variação da corrente de base é desprezível. Por isso este circuito
é chamado de polarização EC com corrente de base constante.
Exemplo 2: Dado um transístor com b =200 e uma fonte de 12V, determinar as
resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação
VCEQ=VCC/2, ICQ = 15mA e VBEQ=0,7V
OBS.: Este circuito de polarização apresentado é bastante sensível a
variações de temperatura. Por seu ponto de operação ser bastante instável,
o seu uso é restrito ao funcionamento como chave electrónica.
9.3.2 - Influência da temperatura
Nos transístores a temperatura afecta basicamente os parâmetros b , VBE e a
corrente de fuga.
A variação de VBE é desprezível, porém a corrente de fuga e o ganho b podem
ter variações acentuadas, ocasionando variações na corrente de coletor, sem
que haja variações na corrente de base, deixando o circuito instável.
9.3.3 - Circuito de Polarização com corrente de Emissor constante.
Neste circuito de polarização é inserido uma resistência RE entre o emissor
e a fonte de alimentação.
A ideia é compensar possíveis variações de ganho devido a mudanças de
temperatura.
Se houver um aumento de ganho, haverá aumento de IC, com aumento de VRC e
de VRE e diminuição de VCE. Mas devido ao aumento de VRE a corrente de base
diminui, induzindo IC a uma estabilização.
Perceba que no circuito anterior esta variação de ganho levaria a um
aumento de IC e diminuição de VCE tirando o transístor de seu ponto de
operação original.
A resposta dada por RE para o aumento de IC, chama-se de realimentação
negativa e garante a estabilidade do ponto de operação.
Equações:
Como temos três incógnitas e apenas duas equações temos que arbitrar um dos
valores. Neste caso adoptamos VRE = VCC / 10, de modo que o resto da tensão
seja utilizada pela saída do circuito.
Exemplo 3: Dado um transístor com b =250 e uma fonte de 20V, determinar as
resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação
VCEQ=VCC/2, ICQ = 100mA e VBEQ=0,7V
9.3.4 - Circuito de Polarização com Divisor de Tensão
Uma outra forma de solucionar o problema da instabilidade com a temperatura
é o circuito de polarização mostrado na figura abaixo.
Este circuito é projectado de forma a fixar o valor de VRB2. Como VBE é
praticamente constante com a temperatura, VRE também permanece constante.
Isto garante a estabilização de IE e IC, independentemente da variação do
ganho.
Equações:
Novamente, para conseguir resolver as equações, temos que adoptar:
IB2 = 10xIB e VRE = VCC/10
Exemplo 4: Dado um transístor com b =250 e uma fonte de 9V, determinar as
resistências de polarização (valores comerciais) para o ponto de operação
VCEQ=VCC/2, ICQ = 20mA e VBEQ=0,65V. Traçar a sua recta de carga.
9.3.5 - Determinação do Ponto de Operação a Partir dos Valores das
Resistências.
Até agora realizamos a síntese de circuitos, isto é, calculamos os valores
das resistências para os valores especificados de tensão e corrente.
Podemos, também, a partir das resistências determinarmos o ponto de
operação analiticamente ou graficamente. Isto é a análise do circuito.
Caso o circuito utiliza divisor de tensão podemos utilizar o teorema de
Thévenin para reduzir para a forma abaixo.
Onde:
Graficamente temos que ter acesso a curva característica de saída do
transístor. Traçando a reta de carga sobre a curva encontramos o ponto de
operação.
Exemplo 5: Um transístor, cuja curva característica de saída é conhecida,
foi polarizado de forma que o ponto de operação de entrada seja VBEQ=0,7V e
IBQ=50m A, conforme o circuito a seguir. Determinar o ganho do transístor e
os demais valores do ponto de operação: ICQ, IEQ e VCEQ.
9.3.6 - Cálculo de Resistências para uso como Chave Electrónica.
O uso do transístor como chave implica em polarizá-lo na região de corte ou
de saturação. Como o corte do transístor depende apenas da tensão de
entrada, o cálculo dos transístores é efectuado baseado nos parâmetros de
saturação.
Um transístor comum, quando saturado, apresenta um VCE de aproximadamente
0,3V e um ganho de valor mínimo (entre 10 e 50) para garantir a saturação.
A corrente de coletor de saturação depende da resistência acoplada ao
coletor ou da corrente imposta pelo projecto.
Exemplo 6: No circuito a seguir, deseja-se que o Led seja accionado quando
a chave estiver na posição ON e desligado quando a chave estiver na posição
OFF.
Parâmetros do transístor BC 548:
VBESAT=0,7V VCESAT=0,3V
ICMAX=200mA VCEMAX=30V
b =20
Parâmetros do LED: VD=1,5V ID=25mA
Exemplo 7: Um circuito digital (TTL) foi projectado para accionar um motor
de 220V/60Hz sob determinadas condições. Para tanto, é necessário que um
transístor como chave atue sobre um relé, já que nem o circuito digital,
nem o transístor podem accionar este motor. O circuito utilizado para este
fim esta mostrado a seguir.
Neste circuito, em série com RC, coloca-se a bobina do relê. Esta bobina,
normalmente, apresenta uma resistência DC da ordem de algumas dezenas de
ohms. Por ser tão baixa, a resistência RC, tem a função de limitar a
corrente no transístor, para não danificá-lo. O diodo em paralelo com a
bobina serve para evitar que o transístor se danifique devido à tensão
reversa gerada por ela no chaveamento do relê.
Parâmetros do 2N2222:
VBESAT=0,7V VCESAT=0,3V b =10
ICMAX=500mA VCEMAX=100V
Parâmetros do relé:
RR=80W IR=50mA
Amplificador é um equipamento que utiliza uma pequena quantidade de energia
para controlar uma quantidade maior, apesar do termo atualmente se referir
a amplificadores eletrônicos. A relação entre a entrada e a saída de um
amplificador — geralmente expressa em função da freqüência de entrada — é
denominada função de transferência do amplificador, e a magnitude da função
de transferência é denominada de ganho.
Amplificadores eletrônicos
O tipo de amplificador mais comum é o eletrônico, comumente usado em
transmissores e receptores de rádio e televisão, equipamentos estéreo de
alta fidelidade (high-fidelity ou hi-fi), microcomputadores e outros
equipamentos eletrônicos digitais, e guitarras e outros instrumentos
musicais elétricos. Seus componentes principais são dispositivos ativos,
tais como válvulas ou transistores.
Em alta fidelidade o amplificador é um aparelho eletrônico que eleva os
níveis de tensão dos sinais de áudio. É muitas vezes empregado para
designar o conjunto pré-amplificador e amplificador de potência ou o
amplificador integrado.
Pré-amplificador é o estágio de um amplificador de áudio que recebe o sinal
da fonte sonora, tais como o gravador cassete, o receptor e o toca-discos
de baixo nível e corrige-o, entregando em sua saída um sinal
suficientemente elevado para excitar o amplificador de potência.
Amplificador de potência é o estágio de um amplificador de áudio ou de RF
(radio frequencia) que eleva o sinal de áudio ou de RF fornecido pelo pré-
amplificador ou oscilador a um nível de tensão e impedância adequados para
funcionar as caixas acústicas ou antenas transmisoras.
O amplificador integrado possui o pré-amplificador e o amplificador de
potência juntos no mesmo aparelho.
Amplificadores valvulados
No início dos anos do áudio, as válvulas faziam a atividade de dispositivos
ativos. Atualmente ainda são utilizadas em aparelhos High End e em caixas
amplificadas para instrumentos (guitarra elétrica). Um amplificador
valvulado geralmente funciona sob altas tensões de alimentação e baixas
correntes, o que torna necessário o uso de transformadores de saída para
adequar as impedâncias de saída do amplificador (altas) com as baixas
impedâncias dos alto falantes. Os valvulados podem ser montados em
topologia Single-End, onde apenas uma válvula amplifica todo o sinal, mas
com baixo rendimento (classe A) e com topologia Push-Pull onde pares de
válvulas são conectadas ao transformador de saída de forma que cada válvula
de cada par amplifique apenas um semi-ciclo (positivo ou negativo) do sinal
de áudio. São muito usadas válvulas pentodo de potência como elementos de
saída tais como KT88, KT66, 6550, EL34, EL84,6L6 e 6V6 entre outras.
Amplificadores transistorizados
Com a invenção dos transístores, as válvulas foram pouco a pouco
substituídas por estes novos amplificadores, devido às vantagens de menor
consumo de energia, maior durabilidade, menor tamanho e custo menor. Os
amplificadores transistorizados têm comportamento diferente dos valvulados,
a distorção é diferente e não necessitam de transformadores de saída para
casar as impedâncias dos alto-falantes. Hoje os amplificadores
transistorizados podem ser construídos com transístores bipolares ou
MOSFETs ou ainda circuitos integrados.
Amplificadores operacionais (ampops)
Amplificadores Operacionais são amplificadores diferenciais DC de alto
desempenho: alto ganho, alta impedância de entrada, baixa impedância de
saída e grande resposta em frequência. Foram criados para implementar
computadores analógicos, executando operações matemáticas (donde derivam
seu nome) com valores de tensões como operandos e resultados. Podem ser
construídos com transístores ou válvulas (hoje a maioria é na forma de
circuito integrado). São muito usados em instrumentação e equipamentos
eletrônicos em geral.
Os amplificadores operacionais podem ainda ser divididos em dois tipos:
Entrada em Tensão
Entrada em Corrente (tipo Norton)
Classes de Amplificadores
As classes de amplificadores diferenciam-se quanto ao método de operação,
eficiência, linearidade e capacidade de potência de saída.
Os amplificadores podem ser classificados em:
Classe A - o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) conduz
durante os 360 graus do sinal de entrada.
Classe B - o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) conduz
durante apenas 180 graus do sinal de entrada (apenas um semi-ciclo)
Classe AB - situam-se entre os amplificadores de Classe A e os de Classe B,
de forma que o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor)
conduz durante mais do que 180 graus do sinal de entrada, mas não na sua
totalidade
Classe C - o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) conduz
durante menos do que 180 graus do sinal de entrada
Classe D - operam modulando o sinal de entrada na forma de pulsos (PWM,
"pulse width modulation"), controlando o dispositivo eletrônico de saída
(válvula ou transistor) através de dois níveis de tensão, os quais fazem
com que o dispositivo conduza ou entre em corte
Classe F - alta eficiência (idealmente 100%) e alta potência de saída.
Usado principalmente para aplicações de RF e microondas.